武汉理工大学孔纯、朱国荣 等：考虑固相扩散诱导应力的锂离子电池电极颗粒破裂机理研究

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导语

电极颗粒破裂是导致电池老化的主要原因之一，本文建立了考虑固相扩散诱导应力的简化电化学模型，用于分析单个颗粒受力过程，并完成电极颗粒裂纹生长仿真。

研究背景

为应对全球变暖，减少化石能源的使用。锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点被广泛应用于智能终端设备、电动汽车以及大型储能设备中。随着锂离子电池充放电循环，锂离子电池不断老化。老化电池不仅充放电性能大幅下降，还可能引发热失控，危及人民生命财产安全。

电极活性材料损失是导致电池老化的主要原因之一，电极颗粒破裂又是导致电极活性材料损失的主要机理。一种能准确预测电极颗粒内部应力、仿真电极颗粒裂纹生长的模型被迫切需要。

论文所解决的问题及意义

电极活性材料损失是导致电池老化的主要原因之一，电极颗粒破裂又是导致电极活性材料损失的主要机理。锂离子电池在循环充放电过程中，由于锂离子在电极颗粒中的扩散效应，锂离子浓度在电极颗粒中分布不均匀，电极颗粒会受到固相扩散诱导应力，从而导致电极颗粒产生裂纹，并不断生长。

电极颗粒裂纹生长不仅会使得电极颗粒内部活性材料直接暴露在电解液中与电解液发生副反应生成新的SEI膜，导致电池中活性锂离子损失和电解液损失，还可能会诱发电极颗粒破裂，导致电极中导电剂、粘结剂失效，电极活性材料损失。因此，分析电极颗粒应力机理、完成电极颗粒裂纹生长建模与仿真，对预测电池老化和长循环周次电池研发具有重要意义。

论文方法及创新点

1、固相扩散诱导应力与简化电化学模型耦合

锂离子电池在循环充放电过程中，锂离子在电极颗粒中嵌入/脱出导致电极颗粒半径发生变化。电极颗粒半径变化会影响电极固相扩散弛豫时间，从而，影响到固相锂离子浓度分布和电极颗粒应力变化。本文将电极颗粒固相扩散诱导应力与带有液相的分数阶模型（FOMe）进行耦合，提出考虑应力变化的FOMe（FOMeS）。

图1 恒流放电FOMe与FOMeS固相表面锂浓差对比

2、老化试验侧面验证FOMeS的准确性

由于电极颗粒所受应力难以实际测得，为验证所提FOMeS的有效性，设计NCA电池老化实验侧面验证FOMeS的准确性。

图2 FOMeS有效性验证基本流程图

3、电极颗粒裂纹生长仿真

当给电池施加电流时，锂离子从电极颗粒表面嵌入/脱出，由于扩散作用造成电极颗粒内部锂离子分布不均，使得电极颗粒受到固相扩散诱导应力，应力值大小可由FOMeS计算得出。根据FOMeS计算得到的固相扩散诱导应力值的大小结合电极颗粒材料属性，计算获得电极颗粒裂纹生长速度并仿真电极颗粒裂纹生长形状。

图3 电极颗粒裂纹生长模型原理图

图4 负极颗粒形变及其内部应力仿真结果

结论

1）本文提出一种考虑固相扩散诱导应力的电极颗粒裂纹生长模型。根据电极颗粒应力应变原理，建立电极固相表面锂浓差与电极颗粒固相扩散诱导应力之间的关系，提出FOMeS用于计算电极颗粒所受固相扩散诱导应力与电池内部状态信息。

2）为验证所提FOMeS的有效性，提出利用电池老化实验数据辨识的正负极容量与FOMeS根据应力经验公式计算出的正负极容量进行对比分析。电池老化实验结果表明所提FOMeS能较为准确地预测电极固相扩散诱导应力和老化电池电极正负极容量变化趋势。

3）根据电极颗粒所受应力，结合电极颗粒材料属性，仿真分析电极颗粒内部应力分布及其形变趋势，根据Paris公式计算电极颗粒裂纹生长速度，预测电极颗粒裂纹生长深度及趋势。

团队介绍

武汉理工大学锂电池储能技术研发团队，隶属于武汉理工大学水路交通控制全国重点实验室和湖北省新能源动力电池工程技术研究中心，主要从事电池与电容等储能元件的可靠性分析与寿命预测、新能源电动汽车驱动系统与可靠性设计、船舶电力系统的稳定性与可靠性研究、电力电子系统电磁兼容性等方向的科研工作。团队现有省部级人才1名，教授2名，副教授4名，在读硕博士研究生40余人。团队成立以来，已获批国家级项目9项，发表SCI/EI论文100余篇，授权发明专利30余项；其中4项核心技术被爱信精机采纳，成功实现产品化并应用于丰田混合动力汽车中。

康健强

副教授，博士生导师，从事车用新能源系统和储能系统关键技术的研究与开发，包括电池管理系统关键技术、热管理技术、梯级利用技术、故障诊断及安全预警技术等。

王菁

副教授，硕士生导师，从事电池储能技术的研究与开发，包括电池仿真与建模、电池智能管理、电池管理系统关键技术等。

王茜

副教授，硕士生导师，湖北省高层次创新人才，从事面向新能源的电力与电气设备绝缘可靠性研究，包括能量路由器中高频变压器绝缘可靠性评估与设计，新能源船舶动力系统绝缘可靠性评估与设计等。

孔纯

武汉理工大学博士，清华大学车辆与运载学院博士后，研究方向：锂离子电池建模与智能控制。GitHub链接：https://github.com/kon9chun/FOMeS

本工作成果发表在2025年第7期《电工技术学报》，论文标题为“考虑固相扩散诱导应力的锂离子电池电极颗粒破裂机理研究“。本课题为国家自然科学基金资助项目。

引用本文

孔纯, 朱国荣, 魏学良, 王菁, 康健强, 王茜. 考虑固相扩散诱导应力的锂离子电池电极颗粒破裂机理研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(5): 1672-1684. Kong Chun, Zhu Guorong, Wei Xueliang, Wang Jing, Kang Jianqiang, Wang Qian. Research on Lithium-Ion Battery Electrode Particles Cracking Mechanism Considering Solid-Phase Diffusion-Induced Stress. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(5): 1672-1684.

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